CN114270698A - 电驱动单元、操作电驱动单元的方法和计算温度的方法 - Google Patents

电驱动单元、操作电驱动单元的方法和计算温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于计算电驱动单元(12)处的温度的方法(10)、用于包括具有定子和转子的电动机的车辆的电驱动单元(12)以及用于操作所述类型的电驱动单元(12)的方法。

Description

电驱动单元、操作电驱动单元的方法和计算温度的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于计算温度的方法。本发明还涉及根据权利要求9的前序部分的电驱动单元和根据权利要求10的用于操作电驱动单元的方法。
背景技术
在具有电驱动单元——例如具有电动机作为牵引驱动装置的车辆中，为了确保电动机的最可靠的可能模式，需要了解电动机中存在的温度。通过了解电动机中的确切温度，可以以更有针对性的方式利用电动机的性能极限。如果电驱动单元达到临界温度，则电动机中的永磁体可能会退磁，并且定子中的绝缘材料可能会熔化。
确定实际温度的最可靠的方法是直接测量和监视电驱动单元中感兴趣的感测区域处的温度。然而，直接温度测量并不总能实现。例如，如果用于精确测量温度的温度传感器由于可用空间或由于功能而不能附接至预期的检测区域。
如果所选择的检测区域处的温度不能被直接测量，例如如果仅使用单个温度传感器，则可以使用温度模型来计算和估计其他位置处的温度。已知用于计算电驱动单元中的温度的多种不同方法。
US 2011/0084638 A1描述了一种温度估计模块，该温度估计模块根据定子中的测量的电流和测量的油温来计算电动机中的马达温度。
在JP H 0654572 A中，使用电动机的热模型计算电动机的线圈中的温度。线圈中的温度根据线圈的温度相关的电阻来计算，其中电阻是通过测量电压和电流来确定的。
在WO 2015 101 107 A1中，基于马达温度模型根据对电动机进行控制的电力电子设备中的温度来估计电动机中的温度。
发明内容
本发明的目的是以更精确和可靠的方式计算电驱动单元上的温度。
这些目的中的至少一个目的通过具有权利要求1的特征的用于计算温度的方法来实现。因此，即使温度检测元件中存在故障，也可以计算状态变量，同时考虑了到电驱动单元的大量热输入。在温度检测元件中断期间、例如在温度检测元件出现故障的情况下，温度计算的完全暂停可能不会发生。因此，即使缺少测量变量，在温度检测元件故障期间也可以进行状态变量的温度计算。提高了温度计算的准确性。
状态空间模型可以是输入变量与输出变量之间的线性时不变(LTI)模型。LTI模型可以用以下两个等式来描述。
Figure BDA0003513093060000021
其中，x是状态变量，u是输入变量，y是输出变量，A是系统矩阵，B是输入矩阵，以及C是输出矩阵。
状态变量优选地是不可测量的值，例如不可接近的位置处的温度和/或热流。
系统观测器可以是龙伯格观测器，并且可以用以下两个等式来描述。
Figure BDA0003513093060000022
其中，xm是模型状态变量，u是输入变量，y是与输出变量相对应的测量变量，ym是模型输出变量，A是系统矩阵，B是输入矩阵，C是输出矩阵，以及L是反馈矩阵。
在本发明的优选实施方式中，当存在与温度检测元件中的故障相对应的检测状态信号时，开启吞吐量模式。
在本发明的具体实施方式中，当存在与温度检测元件的正常模式相对应的检测状态信号时，开启控制模式。
在本发明的另一具体实施方式中，输入变量指示到电驱动单元的热输入。模型状态变量可以是与模型输出变量不同的温度，以及模型输出变量可以是表示测量变量的温度。输入变量可以是电功率、电压和/或热流。
在本发明的优选实施方式中，除了模型输出变量被设置为测量变量并且因此输出变量差被设置为零的差异之外，吞吐量模式对应于控制模式。
在本发明的具体实施方式中，根据计算状态值输出误差信号，该计算状态值取决于检测状态信号。如果计算状态值对应于指示故障的值，则可以输出误差信号。
在本发明的另一具体实施方式中，一旦存在检测状态信号在比第一指定时间段长的第一时间段内对应于温度检测元件中的故障，计算状态值就取指示故障的值。
在本发明的优选实施方式中，温度模型的状态可以通过模型状态信号来描述，模型状态信号根据输出变量差来指示温度模型的准确性。一旦存在模型状态信号在比第二指定时间段长的第二时间段内对应于温度模型的故障，计算状态值就可以取指示故障的值。
计算状态值优选地取决于第一时间段、第一指定时间段、第二时间段和第二指定时间段。根据计算状态值，电驱动单元可以进入紧急模式。
以上指出的目的中的至少一个目的还通过用于车辆的具有带有定子和转子的电动机的电驱动单元来实现，其中，使用具有以上指出的特征中的至少一个特征的方法来计算电驱动单元的至少一个模型状态变量。
以上指出的目的中的至少一个目的还通过用于操作这样的电驱动单元的方法来实现，其中，根据模型状态变量来调节引入到电驱动单元的电能。
本发明的其他优点和有利实施方式由对图形和附图的描述产生。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明。具体地：
图1示出了本发明的具体实施方式中的用于温度计算的方法的电路框图。
图2示出了本发明的另一具体实施方式中的用于温度计算的方法中的检测状态信号和模型状态信号的时间过程。
具体实施方式
图1示出了在本发明的具体实施方式中的用于温度计算的方法10的电路框图。特别地，对由电能馈电的电驱动单元12执行用于温度计算的方法10。电驱动单元12可以布置在车辆中，并且可以具有带有定子和可旋转转子的电动机。
作为输出变量的电驱动单元12的温度凭借电驱动单元12的系统环境14取决于输入变量u。系统环境14可以由温度模型16通过状态空间模型来描述，通过温度模型可以指定输入变量u与输出变量之间的关系。输入变量u指示到电驱动单元12的热输入。例如，输入变量u可以是电功率、电压和/或热流。
通过温度检测元件测量作为测量变量y的电驱动单元12的至少一个位置的实际温度。温度检测元件例如是布置在电驱动单元12的预定位置处的温度传感器。
温度模型16也可以用于计算电驱动单元12的不能被直接测量的状态变量x。状态变量x例如是在不可接近的位置处的不可测量的温度和/或热流。
建立在状态空间模型上的温度模型16被分配给系统观测器18，该系统观测器使用温度模型16来根据输入变量u计算表示实际状态变量x的状态变量xm和表示测量变量y的模型输出变量ym。状态空间模型优选地是输入变量u与测量变量y之间的线性时不变(LTI)模型。LTI模型可以用以下两个等式来描述。
Figure BDA0003513093060000051
其中，A是系统矩阵，B是输入矩阵，以及C是输出矩阵。
系统观测器18根据测量变量y与模型输出变量ym之间的输出变量差Δy来调节状态变量xm并使状态变量xm被输出。系统观测器18可以是龙伯格观测器并且可以使用以下两个等式来描述。
Figure BDA0003513093060000052
其中，A是系统矩阵，B是输入矩阵，C是输出矩阵，以及L是反馈矩阵。
系统观测器18根据输出变量差Δy提供状态变量xm的自调节调整。因此，温度模型16由测量变量y支持，并且计算的状态变量xm与实际状态变量x之间的偏差减小。
另一方面，如果在温度检测元件出现故障的情况下不能获得测量变量y，则系统观测器18缺少作为输入值的测量变量y。作为可能的结果，可以指示温度检测元件的故障，并且停止温度计算。然而，在不存在温度计算的情况下操作的电驱动单元12仍然经历暂停的温度模型16中不再考虑的热输入。如果在温度检测元件中的故障已经消除之后再次开始温度计算，则由于在故障期间没有考虑的信息，计算的状态变量xm与实际状态变量x之间可能存在大的差异。
因此，在用于温度计算的方法10中，通过检测状态信号c能够识别温度检测元件的故障和正常模式。根据检测状态信号c，系统观测器18可以在控制模式与吞吐量模式之间切换，在控制模式下，根据输出变量差Δy控制状态变量xm，在吞吐量模式下，独立于测量变量y计算状态变量xm。当存在与温度检测元件的故障相对应的检测状态信号时，开启吞吐量模式，以及当存在与温度检测元件的正常模式相对应的检测状态信号时，开启控制模式。
因此，即使温度检测元件出现故障，也可以计算状态变量xm。同时，考虑了到电驱动单元12的大量能量输入。在温度检测元件故障期间，温度计算的完全暂停不会发生。因此，即使缺少测量变量y，也可以在温度检测元件故障期间进行状态变量xm的温度计算。
输出变量差Δy的计算20之前是状况选择22，该状况选择根据检测状态信号s1将测量变量y或模型输出变量ym转发至输出变量差Δy的计算20。如果根据检测状态信号s1开启吞吐量模式——特别地，在检测状态信号s1指示温度检测元件中的故障的情况下，则状况选择22将模型输出变量ym输出至输出变量差Δy的计算20。由于该计算20将模型输出变量ym假定为第二差异元素，因此输出变量差Δy在连续模式下为零并且因此对应于温度计算的开环模式。这意味着，尽管温度检测元件中存在故障并且缺少作为温度计算的支持点的测量变量y，但是仍可以通过吞吐量模式来计算温度。
如果根据检测状态信号s1开启控制模式——特别地，在检测状态信号s1指示温度检测元件的正常模式的情况下开启控制模式，则状况选择22将测量变量y输出至输出变量差Δy的计算。这意味着，测量变量y可以用作温度计算的参考点，并且可以更精确地执行温度计算。
图2示出了本发明的另一具体实施方式中的用于温度计算的方法中的检测状态信号s1和模型状态信号s2的时间过程。检测状态信号s1在温度检测元件出现故障的情况下为1，以及在温度检测元件的正常模式的情况下为0。
模型状态信号s2指示温度模型的准确性状态，并且取决于输出变量差和预定的最大输出变量差。当超过预定的最大输出变量差时，模型状态信号s2的值为1，以及当不超过预定的最大输出变量差时，模型状态信号s2的值为零。
当检测状态信号s1和模型状态信号s2二者均为0时，计算状态值c为0。然而，如果两个信号之一为1，则计算状态值c不会立即取值1。只有当检测状态信号s1在比第一指定时间段T1长的第一时间段t1内具有值1时，计算状态值c才被设置为值1。此外，当模型状态信号s2在比第二指定时间段T2长的第二时间段t2内取值1时，计算状态值c更改为值1。
计算状态值c为1指示故障，并由此触发输出误差信号。例如，如果计算状态值c具有值1、即输出误差信号，则电驱动单元可以进入紧急模式。
附图文字列表
10 方法 12 电动驱动单元 14 系统环境 16 温度模型 18 系统观测器 20 计算22 状况选择 A 系统矩阵 B 输入矩阵 C 输出矩阵 c 计算状态值 s1 检测状态信号 s2模型状态信号 T1 第一指定时间段 t1 第一时间段 T2 第二指定时间段 t2 第二时间段u 输入变量 x 状态变量 xm 模型状态变量 Δy 输出变量差 y 测量变量 ym 模型输出变量。

Claims (10)

1.一种用于计算电驱动单元(12)的温度的方法(10)，所述电驱动单元的温度作为输出变量由输入变量(u)通过所述电驱动单元(12)的系统环境(14)导出，
温度模型(16)经由状态空间模型描述所述系统环境(14)，借助于所述温度模型根据所述输入变量(u)计算表示所述输出变量的模型输出变量(ym)，所述温度模型被分配给系统观测器(18)，所述系统观测器根据由至少一个温度检测元件测量的作为与所述输出变量相对应的测量变量(y)的所述电驱动单元(12)的至少一个测量位置处的实际温度与所述模型输出变量(ym)的输出变量差(Δy)来调节和输出所述系统环境(14)的模型状态变量(xm)，
其特征在于，
通过检测状态信号(s1)指示所述温度检测元件的故障和正常模式，以及
所述系统观测器(18)能够根据所述检测状态信号(s1)在控制模式与吞吐量模式之间切换，在所述控制模式下，根据所述输出变量差(Δy)控制所述模型状态变量(xm)，在所述吞吐量模式下，独立于所述测量变量(y)计算所述模型状态变量(xm)。
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其特征在于，当存在与所述温度检测元件中的故障相对应的检测状态信号(s1)时，开启所述吞吐量模式。
3.根据权利要求1或2所述的方法(10)，其特征在于，当存在与所述温度检测元件的正常模式相对应的检测状态信号(s1)时，开启所述控制模式。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(10)，其特征在于，所述输入变量(u)指示到所述电驱动单元(12)中的热输入，所述模型状态变量(xm)是不同于所述模型输出变量(ym)的温度，以及所述模型输出变量(ym)是表示所述测量变量(y)的温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(10)，其特征在于，除了所述模型输出变量(ym)被设置为所述测量变量(y)并且因此所述输出变量差(Δy)被设置为零的差异之外，所述吞吐量模式对应于所述控制模式。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(10)，其特征在于，根据依赖于所述检测状态信号(s1)的计算状态值(c)输出误差信号。
7.根据权利要求6所述的方法(10)，其特征在于，一旦存在检测状态信号(s1)在比第一指定时间段(T1)长的第一时间段(t1)内对应于所述温度检测元件中的故障，所述计算状态值(c)就取指示故障的值。
8.根据权利要求6或7所述的方法(10)，其特征在于，所述温度模型(16)的状态可以通过模型状态信号(s2)来描述，所述模型状态信号根据所述输出变量差(Δy)来指示所述温度模型(16)的准确性，并且一旦存在模型状态信号(S2)在比第二指定时间段(T2)长的第二时间段(t2)内对应于所述温度模型(16)的不准确性，所述计算状态值(c)就取指示故障的值。
9.一种用于车辆的电驱动单元(12)，所述电驱动单元具有带有定子和转子的电动机，
其特征在于，
所述电驱动单元的至少一个模型状态变量(xm)通过根据前述权利要求中任一项所述的方法(10)计算。
10.一种用于操作根据权利要求9所述的电驱动单元(12)的方法，
其特征在于，
引入到所述电驱动单元(12)的电能依据模型状态变量(xm)来设置。
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